具有包容结构的负载压气机的制作方法

本发明涉及燃气涡轮辅助动力装置技术领域，特别地，涉及一种具有包容结构的负载压气机。

背景技术：

负载压气机是通过离心叶轮将气流压缩，通过径向扩压器增压后，将气流收集在集气机匣的集气腔室内，这些高压气体用于启动飞机的主发动机和飞机的空调系统使用。负载压气机是燃气涡轮辅助动力装置(apu)的其中一个重要部件，需要满足包容性要求。根据中国民用航空技术标准规定(ctso-c77b)中5.9节转子包容性要求：如果轮毂失效，压气机部件(同时也包括涡轮部件)需要保证不会击穿机匣，释放危害飞机的高能碎片。

目前，主要是通过加厚机匣将高能碎片进行包容，提高负载压气机的包容性，虽然这一类包容设计结构较为简单，包容成功率较高，但是由于较厚的机匣会增加负载压气机的重量，从而影响燃气涡轮机的工作效率，增大了燃气涡轮机的运行成本。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有包容结构的负载压气机，以解决现有的通过加厚机匣的方式提高负载压气机的包容性，从而影响燃气涡轮机的工作效率，增大了燃气涡轮机的运行成本的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有包容结构的负载压气机，包括旋转轴、离心叶轮和集气机匣，离心叶轮设于旋转轴上，旋转轴通过轴承支承在集气机匣内，负载压气机还包括连接在集气机匣上并与集气机匣组合构成包容于离心叶轮外的包容结构，包容结构构成离心叶轮外的多级缓冲结构并通过沿轴向和/或径向的弹性形变以吸收离心叶轮破碎的撞击能量防止破碎的离心叶轮形成向外激射的高能碎片。

进一步地，包容结构包括进气机匣、叶轮外罩和径向扩压器，进气机匣、叶轮外罩、径向扩压器、以及集气机匣沿旋转轴的轴向依次排布并固定连接为整体，叶轮外罩通过沿轴向和/或径向发生弹性形变以吸收离心叶轮破碎的撞击能量，进气机匣沿轴向和/或径向发生弹性形变以辅助叶轮外罩吸收离心叶轮破碎的撞击能量。

进一步地，叶轮外罩包括依次布设的弧形厚壁环、圆弧薄壁环以及第一固定环，叶轮外罩通过第一固定环固定设置在进气机匣和径向扩压器之间，弧形厚壁环的圆弧曲面朝向进气机匣弯曲，圆弧薄壁环利用弧形曲面形成弧形支撑并构成弹性缓冲结构，圆弧薄壁环的弧形曲面朝向径向扩压器弯曲，圆弧薄壁环为多曲圆弧结构。

进一步地，进气机匣包括依次布设的机匣支板、弓形薄壁环和第二固定环，进气机匣通过第二固定环设置在叶轮外罩远离径向扩压器的一侧，弓形薄壁环的弓形弯折面朝向背离圆弧薄壁环的方向弯折，弓形薄壁环与圆弧薄壁环相邻地设置。

进一步地，集气机匣远离旋转轴的一侧设有由厚壁结构包容形成的集气腔室，集气机匣集气腔室沿轴向往离心叶轮的方向偏置设置。

进一步地，负载压气机还包括弹性细腰螺栓，弹性细腰螺栓沿轴向依次穿过第二固定环、第一固定环、径向扩压器以及集气机匣并与螺母配合固定。

进一步地，叶轮外罩和径向扩压器之间设有卡扣连接的轴向辅助固定装置以防止弹性细腰螺栓沿轴向受损导致叶轮外罩和径向扩压器沿轴向分离。

进一步地，固定装置包括叶片和卡板，叶片设于径向扩压器靠近叶轮外罩的侧壁上，叶片远离旋转轴的顶面上凹设有卡槽，卡板对应地设于叶轮外罩靠近径向扩压器的侧壁上，叶轮外罩与径向扩压器通过卡板和卡槽卡扣配合地设置。

进一步地，叶片的数量为多个，多个叶片沿径向扩压器的周向均匀间隔布设，叶轮外罩的侧壁上设有多个对应的卡板，相邻的两个卡板之间形成有切口。

进一步地，弓形薄壁环的厚度值比圆弧薄壁环的厚度值小0.3毫米至0.7毫米；弹性细腰螺栓包括一体成型的螺母段、光轴段和平头段，光轴段套设于第二固定环和集气机匣内，光轴段的直径比弹性细腰螺栓的公称直径小1.0毫米至1.4毫米。

本发明具有以下有益效果：

本发明的具有包容结构的负载压气机，通过设置连接在集气机匣上并与集气机匣组合构成包容于离心叶轮外的包容结构，在压气机结构上设计有多重包容结构，在离心叶轮破碎时可以通过包容结构对破碎的离心叶轮进行包容，防止破碎的离心叶轮击穿负载压气机，保证了负载压气机的完整性，并且通过包容结构沿轴向和/或径向发生弹性形变形成多级缓冲以吸收离心叶轮破碎的撞击能量，在离心叶轮破碎时，由于是多级缓冲吸收能量，提高了包容结构的受撞击能力，防止了包容结构被破坏，进一步提高了吸收破碎离心叶轮撞击能量的性能。并且由于包容结构采用弹性形变多级缓冲吸能，减轻了负载压气机的重量，从而提高了燃气涡轮机的工作效率，减少了燃气涡轮机的运行成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的具有包容结构的负载压气机的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的叶轮外罩的主视图；

图3是本发明优选实施例的进气机匣的主视图；

图4是本发明优选实施例的径向扩压器的主视图；

图5是本发明优选实施例的弹性长螺栓的结构示意图；

图6是本发明优选实施例的径向扩压器的结构示意图；

图7是本发明优选实施例的叶轮外罩的结构示意图；

图8是本发明优选实施例的叶轮外罩和径向扩压器的配合结构示意图。

图例说明：

100、具有包容结构的负载压气机；10、旋转轴；11、固定环；20、离心叶轮；30、篦齿环；40、进气机匣；41、机匣支板；42、弓形薄壁环；43、第二固定环；50、叶轮外罩；51、弧形厚壁环；52、圆弧薄壁环；53、第一固定环；54、卡板；60、径向扩压器；61、离心叶轮；611、卡槽；70、集气机匣；71、集气腔室；80、弹性细腰螺栓；81、螺母段；82、光轴段；83、平头段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的具有包容结构的负载压气机的结构示意图；图2是本发明优选实施例的叶轮外罩的主视图；图3是本发明优选实施例的进气机匣的主视图；图4是本发明优选实施例的径向扩压器的主视图；图5是本发明优选实施例的弹性长螺栓的结构示意图；图6是本发明优选实施例的径向扩压器的结构示意图；图7是本发明优选实施例的叶轮外罩的结构示意图；图8是本发明优选实施例的叶轮外罩和径向扩压器的配合结构示意图。。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7以及图8所示，本实施例提供的具有包容结构的负载压气机100，包括旋转轴10、离心叶轮20和集气机匣70，离心叶轮20设于旋转轴10上，旋转轴10通过轴承支承在集气机匣70内，负载压气机还包括连接在集气机匣70上并与集气机匣70组合构成包容于离心叶轮20外的包容结构，包容结构构成离心叶轮20外的多级缓冲结构并通过沿轴向和/或径向的弹性形变以吸收离心叶轮20破碎的撞击能量防止破碎的离心叶轮20形成向外激射的高能碎片。本发明的具有包容结构的负载压气机100，通过设置连接在集气机匣70上并与集气机匣70组合构成包容于离心叶轮20外的包容结构，在压气机结构上设计有多重包容结构，在离心叶轮20破碎时可以通过包容结构对破碎的离心叶轮20进行包容，防止破碎的离心叶轮20击穿负载压气机，保证了负载压气机的完整性，并且通过包容结构沿轴向和/或径向发生弹性形变形成多级缓冲以吸收离心叶轮20破碎的撞击能量，在离心叶轮20破碎时，由于是多级缓冲吸收能量，提高了包容结构的受撞击能力，防止了包容结构被破坏，进一步提高了吸收破碎离心叶轮20撞击能量的性能。并且由于包容结构采用弹性形变多级缓冲吸能，减轻了负载压气机的重量，从而提高了燃气涡轮机的工作效率，减少了燃气涡轮机的运行成本。

可以理解地，在本实施例中，可以是包容结构沿轴向发生弹性形变形成多级缓冲以吸收离心叶轮20破碎的撞击能量防止破碎的离心叶轮20击穿负载压气机后形成向外激射的高能碎片；也可以是包容结构沿径向发生弹性形变形成多级缓冲以吸收离心叶轮20破碎的撞击能量防止破碎的离心叶轮20击穿负载压气机后形成向外激射的高能碎片；还可以是包容结构沿轴向和径向发生弹性形变形成多级缓冲以吸收离心叶轮20破碎的撞击能量防止破碎的离心叶轮20击穿负载压气机后形成向外激射的高能碎片。

可以理解地，离心叶轮20包括轮毂和沿轮毂周向间距均与设置的多个离心叶片，包容结构构成离心叶轮20外的多级缓冲结构并通过沿轴向和/或径向的弹性形变以吸收离心叶轮20破碎的撞击能量防止破碎的离心叶轮20形成向外激射的高能碎片，可以是包容结构构成离心叶轮20外的多级缓冲结构并通过沿轴向和/或径向的弹性形变以吸收离心叶片破碎的撞击能量防止破碎的离心叶片形成向外激射的高能碎片。负载压气机是通过离心叶轮将气流压缩，通过径向扩压器60增压后，将气流收集在集气机匣70的集气腔室内，这些高压气体用于启动飞机的主发动机和飞机的空调系统使用。

进一步地，包容结构包括进气机匣40、叶轮外罩50和径向扩压器60，进气机匣40、叶轮外罩50、径向扩压器60、以及集气机匣70沿旋转轴10的轴向依次排布并固定连接为整体，叶轮外罩50通过沿轴向和/或径向发生弹性形变以吸收离心叶轮20破碎的撞击能量，进气机匣40沿轴向和/或径向发生弹性形变以辅助叶轮外罩50吸收离心叶轮20破碎的撞击能量。具体地，在本实施例中，叶轮外罩50沿轴向和径向发生弹性形变以吸收离心叶轮20破碎的撞击能量，进气机匣40沿轴向发生弹性形变以辅助叶轮外罩50吸收离心叶轮20破碎的撞击能量。可以理解地，由于破碎时的离心叶轮20会直接与叶轮外罩50碰撞，首次碰撞的撞击力很大，通过设置叶轮外罩50沿轴向和径向发生弹性形变吸收撞击能力以及设置进气机匣40沿轴向发生弹性形变辅助吸收撞击能力，防止包容结构被刚破碎的离心叶轮20撞击破坏。

进一步地，叶轮外罩50包括依次布设的弧形厚壁环51、圆弧薄壁环52以及第一固定环53，叶轮外罩50通过第一固定环53固定设置在进气机匣40和径向扩压器60之间，弧形厚壁环51的圆弧曲面朝向进气机匣40弯曲设置，圆弧薄壁环52利用弧形曲面形成弧形支撑并构成弹性缓冲结构，圆弧薄壁环52的弧形曲面朝向径向扩压器60弯曲，圆弧薄壁环52为多曲圆弧结构。当离心叶轮破裂时，在巨大的离心力作用下首先与叶轮外罩50的弧形厚壁环51产生刮磨和碰撞，防止叶轮外罩50被击穿释放高能碎片；通过圆弧薄壁环52的弧形曲面朝向径向扩压器60弯曲，在叶轮外罩50的弧形厚壁环51被碰撞时，叶轮外罩50会承受非常大的轴向撞击力，此时，由于圆弧薄壁环52的弹性变形性能，可以使弧形厚壁环51沿轴向运动吸收撞击的能量而不损坏叶轮外罩50，保证了叶轮外罩50的完整性，从而保证了负载压气机整体的完成性，不仅防止破碎后的离心叶轮飞出击穿负载压气机后形成向外激射的高能碎片，还减轻了负载压气机的重量，从而提高了燃气涡轮机的工作效率，减少了燃气涡轮机的运行成本。

更优地，为了提高圆弧薄壁环52沿轴向方向的弹性形变能力，进一步防止叶轮外罩50受到轴向撞击力损坏，圆弧薄壁环52为多曲面圆弧薄壁环52，具体地，在本实施例中，通过实验认证，圆弧薄壁环52为双曲面圆弧薄壁环52时，叶轮外罩50吸收破碎的离心叶轮20的撞击能量最对多而不被折断。

具体地，在本实施例中，叶轮外罩50一体成型地设计，叶轮外罩50采用材料延伸率高的gh4169材料制成。紧固螺栓或弹性细腰螺栓80沿轴向依次穿过进气机匣40、叶轮外罩50、径向扩压器60以及集气机匣70与螺母配合固定。

可以理解地，当紧固螺栓为弹性细腰螺栓80时，在保证满足强度情况下，尽量将螺栓设计成细长结构，因为在同等载荷情况下，螺栓越是细长则螺栓弹性变形会更强，意味着螺栓抵抗变形而不拉断的能力更强。另外，细长的螺栓也有利于压气机重量减轻。

可以理解地，圆弧薄壁环52的厚度值与离心叶轮的总重量相关，当离心叶轮的重量在2.1千克时，圆弧薄壁环52的厚度值为2.5毫米，当离心叶轮的重量在5千克时，圆弧薄壁环52的厚度为4毫米。

进一步地，进气机匣40包括依次布设的机匣支板41、弓形薄壁环42和第二固定环43，进气机匣40通过第二固定环43设置在叶轮外罩50远离径向扩压器60的一侧，弓形薄壁环42的弓形弯折面朝向背离圆弧薄壁环52的方向弯折，弓形薄壁环42与圆弧薄壁环52相邻地设置。可以理解地，通过弓形薄壁环42与双曲圆弧薄壁环52相邻地设置，在叶轮外罩50受到轴向的撞击力时，圆弧薄壁环52沿轴向发生弹性形变，带动与其相邻的弓形薄壁环42发生弹性形变进行吸能消除一部分的轴向撞击力，通过进气机匣40的弓形薄壁环42发生形变进行辅助吸能，采用两处薄壁进行吸能，进一步确保在离心叶轮20破碎时不会击穿机匣。

进一步地，集气机匣70远离旋转轴10的一侧设有由厚壁结构包容形成的集气腔室71，集气机匣70的集气腔室71沿轴向往离心叶轮20的方向偏置设置。可以理解地，当进气机匣40、叶轮外罩50以及径向扩压器60分别被破破碎的离心叶轮20击穿或弹性细腰螺栓80被拉断后，集气机匣70则为最后的包容体吸收高能离心叶轮碎片，形成多级防护，进一步防止高能碎片击穿机匣，同时由于集气腔室71的壁面为厚壁结构，进一步防止集气腔室71被击穿，提高了负载压气机的包容能力。

进一步地，为了保证叶轮外罩50的和进气机匣40吸收离心叶轮20破碎时的撞击能量，防止进气机匣40、叶轮外罩50、径向扩压器60以及集气机匣70沿轴向分离破坏压在压气机的结构。圆弧薄壁环52为双曲圆弧薄壁环52，负载压气机还包括弹性细腰螺栓80，弹性细腰螺栓80沿轴向依次穿过第二固定环43、第一固定环53、径向扩压器60以及集气机匣70与螺母配合固定。由于弹性细腰螺栓80的弹性形变能力强，避免了在受到叶轮外罩50和进气机匣40发生变形拉伸时受到损坏，并且使用弹性细腰螺栓80有助于减少压气机的重量。

更优地，为了确保叶轮外罩50在进气机匣40之后被破碎的离心叶轮20破坏，弓形薄壁环42与双曲圆弧薄壁环52抵接设置。

进一步地，叶轮外罩50和径向扩压器60之间设有卡扣连接的轴向辅助固定装置以防止弹性细腰螺栓80沿轴向受损导致叶轮外罩和径向扩压器沿轴向分离。

可以理解地，叶轮外罩50和径向扩压器60可以通过公插和母插卡扣连接，具体地，在叶轮外罩50的侧壁上分别设有公插或母插，在径向扩压器60的侧壁上设有对应的公插或母插，相邻的公插和母插卡扣连接设置。

进一步地，固定装置包括叶片61和卡板54，叶片61设于径向扩压器60靠近叶轮外罩50的侧壁上，叶片61远离旋转轴10的顶面上凹设有卡槽611，卡板54对应地设于叶轮外罩50靠近径向扩压器60的侧壁上，叶轮外罩50与径向扩压器60通过卡板54和卡槽611卡扣配合地设置。

更优地，叶片61的数量为多个，多个叶片61沿径向扩压器60的周向均匀间隔布设，叶轮外罩50的侧壁上设有多个对应的卡板54，相邻的两个卡板54之间形成有切口。通过叶轮外罩50和径向扩压器60沿周向卡扣固定，使叶轮外罩50的受力更加均匀，保证了叶轮外罩50结构的稳定性。具体地，在安装时，首先将叶轮外罩50的切口与径向扩压器60的叶片61对准将叶轮外罩50插入径向扩压器60内，沿轴向方向使叶轮外罩50和径向扩压器60贴近，然后通过周向转动调整叶轮外罩50和径向扩压器60的相对位置，使叶轮外罩50的卡板54卡入径向扩压器60的卡槽611内。

进一步地，弓形薄壁环42的厚度值比曲圆弧薄壁环52的厚度值小0.3毫米至0.7毫米。可以理解地，弓形薄壁环42的厚度值比双曲圆弧薄壁的厚度值可以小0.3毫米，也可以小0.5毫米或者0.7毫米等。可以理解地，当叶轮外罩50受到巨大的撞击力发生严重形变时，双曲圆弧薄壁环52可能会折断，此时，叶轮外罩50会沿轴向拉伸或撞击径向扩压器60和进气机匣40，从而导致弹性细腰螺栓80受到大的轴向拉扯力损坏，导致进气机匣40、叶轮外罩50、径向扩压器60以及集气机匣70沿轴向分离，损坏负载压气机，因此，通过设置弓形薄壁环42的厚度值比双曲圆弧薄壁的厚度值小，在叶轮外罩50受到撞击力后，双曲圆弧薄壁发生弹性形变带动进气机匣40发生弹性形变，当双曲圆弧薄壁发生严重形变时，会先破换进气机匣40，从而保证弹性细腰螺栓80不受到损坏。

进一步地，弹性细腰螺栓80包括一体成型的螺母段81、光轴段82和平头段83，光轴段82套设于第二固定环43和集气机匣70之间，光轴段82的直径比弹性细腰螺栓80的公称直径小1.0至1.4毫米。具体地，在本实施例中，为了提高弹性细腰螺栓80自身的抗形变能力，光轴段82的直径比弹性细腰螺栓80的公称直径小1.2毫米。例如，当为m5的弹性细腰螺栓80时，光轴段82的直径为3.8毫米，当为m6的弹性细腰螺栓80时，光轴段82的直径为4.8毫米。

进一步地，负载压气机还包括篦齿环30，旋转轴10上的第一端的外表面凸设有固定环11，旋转轴10的第二端的外表面设有外螺纹环，离心叶轮20、篦齿环30、轴承依次抵接设于固定环11和外螺纹环之间，离心叶轮20的一端与固定环11抵接，锁紧螺母与外螺纹环配合将离心叶轮20、篦齿环30、转动轴承沿轴向固定。通过将离心叶轮20、篦齿环30、转动轴承沿轴向卡入固定环11和锁紧螺母之间设置，进一步减轻了负载压气机的重量，提高了负载压气机的工作效率。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。